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Les galaxies, univers-cités d'étoiles : de la formation à l'embrasement

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"La Terre est le berceau de l'humanité, mais on ne passe pas sa vie entière dans un berceau", Constantin Edouardovitch Tsiolkovski.

La culture est un domaine riche, et ce serait folie que de vouloir jalousement le limiter à quelques livres et un peu de musique. Aussi, nous vous invitons, tel l’étudiant qui assiste à la conférence du « savant astronome » de Walt Whiteman, à inspirer profondément l’air humide de la nuit mystique, et, de temps à autre, à lever les yeux vers les étoiles.

 

Scrutant le ciel infini à la recherche d’inspiration, l’idée d’une étude sur les galaxies nous a semblé permettre une belle approche des questions astronomiques. Toile de fond de notre Univers, les galaxies sont loin d’être de paisibles objets cosmiques, elles sont en continuel mouvement, en constante mutation. Organisées autour d’un trou noir supermassif depuis leur naissance, celui-ci rythmera leur vie et leurs rapports entre-elles.

 

Galaxies et trou noir supermassif : l’organisation autour d’un monstre cosmique

 

Une galaxie peut se définir comme un regroupement d’étoiles de divers types, gravitant autour d’un centre. Les galaxies peuvent prendre de nombreuses formes : un disque pour la galaxie elliptique, une spirale, une spirale barrée (deux branches aux extrémités d’une « barre »). Des galaxies irrégulières sans forme particulière, souvent satellites de galaxies plus massives, existent également et peuvent être le résultat de plusieurs phénomènes : la déformation à cause de la proximité avec une galaxie voisine bien plus importante, une masse trop faible pour qu’elle puisse s’auto-maintenir, un noyau trop puissant pour une petite galaxie entraînant une déformation ; une autre possibilité réside dans le cas particulier de la collision de deux galaxies, toutefois la question sera abordée plus tard, et plus en détail.

 

Les galaxies se regroupent en amas qui eux-mêmes se réunissent en superamas. Pour reprendre un exemple qui nous est proche, notre amas, nommé Groupe Local, fait partie du superamas de la Vierge. À l’intérieur des galaxies, les planètes et les étoiles s’organisent en systèmes stellaires. Il en existe de toutes sortes, composés d’une ou plusieurs étoiles, d’une ou plusieurs planètes, voir uniquement constitué d’étoiles, alors appelé amas stellaire ; de tels systèmes sont observables de la périphérie d’une galaxie jusqu’à son centre.

 

Au cœur de ces galaxies se trouve un noyau monstrueux : le trou noir central. Il s’agit d’une entité cosmique dont la force gravitationnelle est si absurdement puissante que même la lumière ne peut s’y soustraire, et que l’espace-temps est déformé dans son sillage. Formés à partir de l’effondrement d’étoiles massives, les trous noirs les plus colossaux, ceux que l’on trouve au centre des galaxies, peuvent avoir une masse de plusieurs millions à plusieurs milliards de masses solaires. Ce que l’on nomme « trou noir » doit s’entendre comme un ensemble d’éléments. La puissante force gravitationnelle du trou noir se matérialise par la présence d’un disque de matière orbitant autour de celui-ci, qui l’on nomme disque d’accrétion. La matière y est soumise à des pressions colossales, broyant les étoiles happées, déchirant les objets ayant le malheur de s’y trouver. Enfin, l’effroi grandissant, le point de non-retour apparaît, là où la matière va sombrer directement dans la gueule béante du monstre à la faim insatiable : l’horizon des évènements. La gravité est alors tellement démesurée que, lorsque l’on passe l’horizon, et que l’on s’enfonce jusqu’au cœur du trou noir, on atteint alors un endroit appelé en relativité générale la singularité gravitationnelle, où l’espace et le temps s’annihilent, s’annulent.

 

Ce léger tour d’horizon effectué, il n’est alors plus étonnant que les amas d’étoiles gravitent autour de ce noyau souverain. Après avoir montré que l’apparent calme galactique cache, en réalité, des évènements d’une violence inimaginable en son centre, voyons ce qui se passe lorsque, poussées au rapprochement, deux galaxies entre en contact, se percutent, et finissent par fusionner.

 

La rencontre de deux galaxies : entre fusion absorption et fusion éjection

 

C’est un phénomène qui se produit régulièrement dans l’univers : deux galaxies se rapprochent dangereusement, et finissent par se heurter. Il peut s’agir d’une simple collision, qui va totalement bouleverser le paysage d’une région spatiale. Toutefois, une hypothèse bien plus intéressante doit être soulevée : le cas de la fusion.

 

Imaginons deux galaxies qui, avançant inéluctablement l’une vers l’autre, viennent s’écraser l’une dans l’autre. La gravité des deux trous noirs supermassifs va alors commencer son terrible jeu, et les deux monstres vont entamer leur rapprochement. La houache des trous noirs fait alors voler en éclat l’organisation des deux galaxies, qui vont se déstructurer, les systèmes solaires vont se mélanger, les étoiles vont être projetées à des vitesses ahurissantes ; de l’extérieur, en observateur lointain, on assiste à une danse entre deux galaxies se tournant autour. Un phénomène d’une telle complexité comporte quatre phases hypothétiques, calculées par mathématiques et informatique.

 

La première envisagée est la phase Inspiral, durant laquelle les trous noirs vont orbiter l’un autour de l’autre. Lors de la diminution de la distance, l’attraction gravitationnelle ainsi que la vitesse vont augmenter : ce n’est plus la vitesse initiale des trous noirs qui est conservée, mais l’émission d’ondes gravitationnelles qui va leur donner une nouvelle vitesse par compensation, qui augmente au fur et à mesure que la distance séparant les trous noirs diminue. Les deux trous noirs en fin de phase Inspiral vont donner naissance à un trou noir binaire, dont la distance de séparation est généralement de quelques dizaines de parsecs ; un parsec équivaut à un peu plus de trois années-lumière l’unité, soit environ 31 000 milliards de kilomètres. La partie finale de cette phase, juste avant que le dernier parsec ne soit franchi, est appelée la « dernière orbite circulaire stable ».

 

Ainsi est amorcée la phase suivante l’ « orbite plongeante », qui débute au moment où la forme des orbites des deux trous noirs commence à se déformer, après le parsec final passé, le plus gros pic d’émission d’ondes gravitationnelles est atteint. Une fois cette relativement courte phase terminée, la phase de fusion proprement dite est enclenchée, les singularités des trous noirs se rencontrent et fusionnent dans un des évènements les plus puissants et dévastateurs que peut connaître l’Univers. L’énergie perdue ébranle l’espace-temps, sorte de secousse monstrueuse qui retentit à des années lumières de l’endroit de la fusion, ce qui rend l’évènement détectable. À titre d’illustration, la collaboration internationale Ligo-Virgo a publié le 1er juin de cette année l’observation, pour la troisième fois, de deux trous noirs supermassifs en train de fusionner, détectés grâce aux fameuses ondes gravitationnelles le 4 janvier 2017. Il convient, enfin, de relever une ultime phase, dite Ringdown : c’est l’après-fusion, le trou noir résultant oscillant entre diverses formes plus ou moins sphériques, mais distordues. S’opère alors un réajustement de la masse, de la charge et de la rotation du trou noir résultant jusqu’à sa forme sphérique stable

 

Au niveau des galaxies, la fusion des trous noirs peut induire une production massive d’étoiles à un niveau proche des évènements de fusion, et une déchirure de la galaxie à des niveaux plus lointains. Comme nous l’avons dit dans la première partie, des galaxies irrégulières peuvent naître de ces fusions. C’est sans doute le cas pour les Nuages de Magellan, des petites galaxies irrégulières satellites de notre Voie Lactée.

 

Une autre possibilité doit être soulevée. Il arrive que les trous noirs centraux, bien que s’étant rapprochés, ne s’embrassent pas, et que le plus fort éjecte l’autre. C’est le cas de l’observation effectuée par le télescope Hubble au centre de la galaxie 3C186. Deux trous étaient sur le point de fusionner quand, conséquence d’une puissante explosion lors du rapprochement des deux entités ainsi que d’une différence de taille et de masse, l’un d’entre eux s’est fait éjecter par une indicible force gravitationnelle. La violence de l’expulsion est telle que le trou noir filerait à des vitesses avoisinant les 7,5 millions de kilomètres par heure. Il quitte alors tranquillement la galaxie nouvelle, broyant l’espace et le temps sur son passage, marchant d’un pas effrayant vers l’errance et l’incertitude.

 

L’astronomie est une science véritablement passionnante. Elle n’est pas juste une somme de calculs ou de théories réservées à une petite élite capable de les décrypter, c’est un formidable outil de réflexion. Quand on observe ces forces à l’œuvre, qu’on voit les immenses, si ce n’est infinies, possibilités que renferme l’Univers, quand on s’interroge, un moment, sur l’espace-temps, essayant modestement de l’envisager, d’entendre que le temps et l’espace sont relatifs et qu’un même moment peut s’écouler différemment d’un endroit à l’autre du cosmos, on en aurait presque le tournis, simplement du fait d’entrevoir les questions que tout cela soulève. La culture nourrit notre réflexion, alors prenons le temps de nous asseoir un moment, et de tourner nos regards pensifs vers les étoiles et leurs mystères ; prenons le temps de rêver.


Vivien Murguet et Pierre-Henri Vignoles.


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